科技創(chuàng )新
中國電力行業(yè)碳達峰、碳中和的發(fā)展路徑研究
中國電力行業(yè)碳達峰、碳中和的發(fā)展路徑研究
Research on the development path of carbon peak and carbon neutrality in China's Power Industry
朱法華1,2 ,王玉山3 ,徐 振2 ,李軍狀1 ,董月紅1 ,李 輝1 ,李小龍1 ,胡 蕓2 ,孫雪麗2 ,丁 力2
( 1. 國家能源集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,江蘇 南京 210023; 2. 國電環(huán)境保護研究院有限公司國家環(huán)境保護大氣物理模擬與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗室,江蘇 南京 210031;
3. 北京清新環(huán)境技術(shù)股份有限公司,北京 100142)
摘要: 自習近平主席宣布中國碳達峰、碳中和的目標以后,電力行業(yè)的發(fā)展路徑廣受關(guān)注與熱議,為結合中國能源資源稟賦、技術(shù)水平與安全需求,探索符合中國國情的電力行業(yè)碳達峰、碳中和的發(fā)展路徑,從碳達峰、碳中和的基本概念入手,明確指出碳達峰包括達峰時(shí)間與峰值,碳中和不是CO2零排放。結合發(fā)達國家碳達峰、碳中和的路徑分析,得出中國碳達峰、碳中和與發(fā)達國家的異同及難度,提出中國應以節能與摻燒為引領(lǐng),保留火電機組不少于8億kW;以低碳能源為關(guān)鍵,大力發(fā)展風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電;以?xún)δ芘c碳捕集為補充,保障電力系統穩定等3條重要舉措。根據中國富煤貧油少氣的化石能源現狀、水電資源開(kāi)發(fā)基本完畢、核電選址較為困難等實(shí)際情況,預測中國碳達峰時(shí)火電行業(yè)排放的CO2約47億t,碳中和時(shí)火電行業(yè)允許排放CO2約13.5億t,碳中和時(shí)中國電力裝機容量達64.3億kW,其中風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電50億kW,核電2億kW,水電4.3億kW,余熱、余壓、余氣發(fā)電0.5億kW,生物質(zhì)發(fā)電1.2億kW,氣電1億kW,煤電5.3億kW,非化石能源發(fā)電裝機容量占比90.2%,發(fā)電量占比85.3%。碳中和時(shí)中國電力行業(yè)排放CO2約15.21億t,其中火電行業(yè)排放13.18億t,小于允許排放量。
關(guān)鍵詞: 碳達峰 碳中和 資源稟賦 電力行業(yè) 發(fā)展路徑
2020年9月22日,國家主席習近平首次在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì )一般性辯論會(huì )宣布:中國將提高國家自主貢獻力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實(shí)現碳中和。至2021年4月22日的領(lǐng)導人氣候峰會(huì ),習近平主席至少在9次國際會(huì )議、國內3次會(huì )議與視察福建講話(huà)先后闡述了碳達峰與碳中和的目標、意義、政策、措施、行動(dòng)等內容,受到國內外的廣泛關(guān)注。
CO2排放的最大來(lái)源是化石能源的燃燒,據《世界能源統計年鑒2020》[1],中國煤炭、石油、天然氣消費量分別占世界總量51.7%、14.5%、7.8%,可見(jiàn)中國控制CO2排放,首當其沖的是要控制煤炭消費。中國煤炭約一半用于燃燒發(fā)電,2018年中國火電(約90%是煤電)的CO2排放量占全國總排放量的43%,是CO2排放的最大單一來(lái)源[2]。減少電力行業(yè)的煤炭消費確實(shí)是減少CO2排放的有效手段,但中國富煤貧油少氣的資源稟賦[3],使得電力行業(yè)很難離開(kāi)煤炭。針對碳達峰、碳中和約束下電力行業(yè)的發(fā)展路徑,各種觀(guān)點(diǎn)分歧很大,有的提出加快燃煤電廠(chǎng)退出,煤電清零[4];有的提出煤炭開(kāi)發(fā)的綠色轉型[5],因地制宜推進(jìn)區域能源革命[6]。隨著(zhù)經(jīng)濟社會(huì )的發(fā)展,電力行業(yè)面臨著(zhù)增加供應和減少碳排放的雙重挑戰,有必要從中國的國情出發(fā),結合技術(shù)可靠性、減碳效果、成本等,探討能夠提供安全、環(huán)境友好、社會(huì )可承受的電力行業(yè)的發(fā)展路徑。
1 電力行業(yè)碳達峰、碳中和概念與實(shí)現路徑1.1 碳達峰、碳中和的定義根據聯(lián)合國政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì )(Intergovermental Panel on Climate Change, IPCC)的定義,碳達峰是指某個(gè)地區或行業(yè)年度CO2排放量達到歷史最高值,然后進(jìn)入持續下降的過(guò)程,是CO2排放量由增轉降的歷史拐點(diǎn)。碳達峰(peak CO2emissions)包括達峰年份和峰值。碳中和是指由人類(lèi)活動(dòng)造成的CO2排放量,與CO2去除技術(shù)(如植樹(shù)造林)應用實(shí)現的吸收量達到平衡。
1.2 電力行業(yè)碳達峰、碳中和的概念對照碳達峰的定義,碳達峰包括達峰年份和峰值。習近平主席已代表中國政府宣示,中國力爭在2030年前實(shí)現碳達峰。達峰年份基本確定,而且有條件的地區、行業(yè)可以率先實(shí)現碳達峰,但到目前為止具體峰值尚未公布。
事實(shí)上,電力行業(yè)除CO2外,SO2和NOx也都有排放達峰的過(guò)程,如中國電力行業(yè)SO2排放在2006年達到峰值1320萬(wàn)t, 此后逐步下降到2014年的620萬(wàn)t, 2015年快速下降至200萬(wàn)t; NOx排放量在2011年達到峰值1107萬(wàn)t, 此后逐步下降到2014年的620萬(wàn)t, 2015年快速下降至180萬(wàn)t[7-9],如圖1所示。從圖1可以看出,盡管中國燃煤電廠(chǎng)基本上均實(shí)現了煙塵、SO2、NOx超低排放,但2019年電力行業(yè)的SO2和NOx排放量仍分別高達89萬(wàn)t和93萬(wàn)t[10-11]。
根據IPCC碳中和的定義,CO2的排放量與吸收量相等。事實(shí)上電力行業(yè)只要發(fā)電就會(huì )排放CO2,表1是IPCC發(fā)布的全球各種電源發(fā)電的CO2平均排放強度[2]。
可見(jiàn),不論是何種電源形式,只要發(fā)電都要排放CO2。對于化石能源發(fā)電,即使加裝碳捕集工程(Carbon Capture and Storage, CCS或Carbon Capture, Utilization and Storage ,CCUS),由于脫除效率所限,也是排放CO2的,因此電力行業(yè)自身實(shí)現碳中和是不可能的,只能是在保障電力供應的同時(shí),電力行業(yè)盡可能減少CO2排放。所有國家碳中和時(shí)電力行業(yè)都應有一定額度的CO2排放,所以電力行業(yè)碳中和不是CO2零排放。
1.3 電力行業(yè)碳達峰、碳中和的實(shí)現路徑世界各國由于資源稟賦、技術(shù)水平、經(jīng)濟水平、地域范圍等各不相同,因此不同國家電力行業(yè)碳達峰、碳中和的路徑也各不相同。需要指出的是發(fā)達國家的碳達峰過(guò)程一般都是經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展的自然過(guò)程,如英國1973年就已實(shí)現碳達峰,法國、德國、瑞典1978年實(shí)現碳達峰,美國2007年實(shí)現碳達峰,這些早已實(shí)現碳達峰的國家,其共同點(diǎn)是早已完成工業(yè)化,進(jìn)入了后工業(yè)化時(shí)代或信息時(shí)代,經(jīng)濟增長(cháng)已不依賴(lài)能源消費的增長(cháng),電力裝機容量或發(fā)電量多年維持在相對穩定的水平[1,12]。
實(shí)現碳中和,促進(jìn)低碳發(fā)展轉型的各種國際規則、行業(yè)準則及企業(yè)標準層出不窮。世界范圍內力推實(shí)現1.5℃溫升控制目標,到21世紀中葉全球實(shí)現碳中和的呼聲日益強烈。歐盟提出“歐洲綠色新政”,宣布2050年實(shí)現凈零排放,成為首個(gè)碳中和歐洲大陸。全球已有121個(gè)國家提出2050年實(shí)現碳中和的目標和愿景,其中包括英國、新西蘭等發(fā)達國家以及智利、埃塞俄比亞、大部分小島嶼國家等發(fā)展中國家。不少?lài)液统鞘幸蔡岢?030—2050年期間實(shí)現100%可再生能源目標,提出煤炭和煤電退出以及淘汰燃油汽車(chē)的時(shí)間表,并有114個(gè)國家表示將強化和更新國家自主貢獻(National Determined Contributions, NDC)目標[13]。
圖1 中國電力行業(yè)SO2和NOx排放量的達峰與下降過(guò)程
從表1中可以看出,化石能源電力,即煤電、石油和氣電均為高碳排放電源(簡(jiǎn)稱(chēng)“高碳電源”),其中以煤電為最高,而其余所有的8種電源,均是低碳排放電源(簡(jiǎn)稱(chēng)“低碳電源”)。從各種電源的CO2排放強度可以看出,降低CO2的最簡(jiǎn)單方法就是大力發(fā)展低碳電源,拋棄高碳電源。如2019年11月新西蘭通過(guò)《零碳法案》,2035年實(shí)現100%可再生能源發(fā)電。2020年7月,德國聯(lián)邦議會(huì )通過(guò)了《燃煤電廠(chǎng)淘汰法案》,最遲到2038年年底,完全淘汰煤炭發(fā)電能力[14]。
其次是燃煤發(fā)電的燃料替代,如用低碳、零碳燃料替代煤炭,歐洲有不少?lài)依锰烊粴狻⒔諚U替代燃煤發(fā)電,如英國最大的燃煤電廠(chǎng)Drax擁有6臺660MW機組,其中4臺機組全部改燃生物質(zhì)燃料,另外2臺改燒天然氣[2]。美國則大量使用頁(yè)巖氣替代燃煤發(fā)電。
再次是燃煤電廠(chǎng)的CO2捕集利用,可分為燃燒前捕集、富氧燃燒和燃燒后捕集。從現階段來(lái)看,燃燒前捕集技術(shù)主要是應用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(Intergrated Gasification Combined Cycle, IGCC)電廠(chǎng),已有大規模工業(yè)應用的成功案例,但由于該技術(shù)工藝復雜,投資成本高,與現有工藝兼容性差,不適用于對現有工藝設備的改造,導致其發(fā)展較為緩慢。富氧燃燒仍處于中試驗證階段,沒(méi)有商業(yè)規模項目開(kāi)始實(shí)施建設,大型空分裝置的高投資和高能耗,以及系統升壓-降壓-升壓過(guò)程中的不可逆損失較大,是制約富氧燃燒技術(shù)成本降低的主要因素。燃燒后捕集技術(shù)是目前相對成熟的碳捕集技術(shù),是現階段實(shí)現CO2大規模捕集的重要途徑,其主要研究方向是提高效率,降低運行成本[15]。
2 中國電力行業(yè)碳達峰、碳中和的適宜路徑2.1 中國與發(fā)達國家電力行業(yè)碳達峰、碳中和的路徑異同發(fā)達國家碳達峰是經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展的自然過(guò)程,碳達峰時(shí)經(jīng)濟發(fā)展已度過(guò)工業(yè)化階段,進(jìn)入了后工業(yè)化階段或信息化階段,經(jīng)濟發(fā)展已不依賴(lài)能源消費的增長(cháng),電力長(cháng)期處于相對穩定的狀態(tài),因此其碳中和主要是在保持現有電力供應的基礎上,盡可能減少CO2排放。
中國GDP總量居全球第二,但人均GDP剛剛超過(guò)1萬(wàn)美元,2019年中國人均GDP僅占美國的16%,2020年末才消除貧困。中國2019年的人均GDP僅是16個(gè)國家碳達峰時(shí)人均GDP平均值的18.6%[12],中國計劃在2035年左右基本實(shí)現代化,人均GDP達到中等發(fā)達國家水平。
中國目前尚未完成工業(yè)化,GDP的增長(cháng)仍依賴(lài)能源消費的增長(cháng),因此中國電力行業(yè)的碳中和不僅要減少CO2排放,而且要滿(mǎn)足電力需求的持續增長(cháng)。據解振華等人的研究預測,中國全社會(huì )用電量將從2020年的7.5億(kW·h)增長(cháng)到2050年的11.91~14.27億(kW·h)[13],增長(cháng)率高達58.8%~90.3%。可見(jiàn),中國電力行業(yè)碳中和的難度要遠高于任何發(fā)達國家。
中國電力行業(yè)碳中和的另一難度在于中國的資源稟賦,據《中國礦產(chǎn)資源報告2019》的數據測算,中國已查明的化石能源儲量中煤炭、石油、天然氣分別占99%、0.4%、0.6%[3],因此歐美國家普遍采用的用天然氣、頁(yè)巖氣等替代燃煤發(fā)電,在中國是行不通的。盡管中國目前的燃氣電廠(chǎng)比例很低,但2019年中國天然氣的進(jìn)口依存度43%,石油的進(jìn)口依存度則高達71%,遠超國際公認的安全警戒線(xiàn)[16]。可見(jiàn),在中國完全淘汰燃煤電廠(chǎng)是不現實(shí)的。
2.2 以節能與摻燒為引領(lǐng),保留火電機組裝機不少于8億kW2.2.1 實(shí)施煤電節能改造,降低單位煤電發(fā)電量的碳排放2014年9月發(fā)展改革委、環(huán)境保護部、能源局印發(fā)了《煤電節能減排升級與改造行動(dòng)計劃(2014-2020年)》,與節能改造前的2013年相比,2019年全國火電行業(yè)平均供電煤耗從321g/(kW·h)降低到306.4g/(kW·h),下降14.6g/(kW·h),相當于2019年節約標煤7368萬(wàn)t[18],僅此就可減少CO2排放近2億t。
2019年全國火電機組容量118957萬(wàn)kW,其中燃煤發(fā)電104063萬(wàn)kW(占87.5%),燃氣發(fā)電9024萬(wàn)kW,生物質(zhì)發(fā)電2361萬(wàn)kW,余溫、余壓、余氣發(fā)電3272萬(wàn)kW,燃油發(fā)電175萬(wàn)kW。
60萬(wàn)kW及以上的大機組容量占比為45.0%;30~60萬(wàn)kW等級的機組容量占比35.4%,其中亞臨界機組約3.5億kW,近1000臺,容量占比超過(guò)30%;單機容量小于30萬(wàn)kW的老小機組容量占比19.6%[11]。這說(shuō)明全國火電裝機容量中近一半的是效率低、煤耗高、性能差的亞臨界及以下參數的機組和熱電聯(lián)產(chǎn)小機組,如表2所示。
在實(shí)現碳中和過(guò)程中,國家應出臺政策首先淘汰關(guān)停效率低、煤耗高、役齡長(cháng)的落后老小機組。2019年的統計數據表明,小于10萬(wàn)kW的小機組容量11657.8萬(wàn)kW,占火電總容量的9.8%,年利用小時(shí)數4431h, 比全國火電機組的平均利用小時(shí)4365h高出66h[11],小于30萬(wàn)kW的機組容量超過(guò)2.3億kW,應逐一分析這些機組的實(shí)際情況,該淘汰的堅決淘汰;其次應該對占煤電容量30%的近1000臺亞臨界機組進(jìn)行升級改造。將亞臨界機組的效率和煤耗提升到超超臨界的水平,以大幅度地降低其煤耗,同時(shí)大力改善其低負荷調節的靈活性,以大大提高其消納風(fēng)電和光伏發(fā)電量的能力,尤其是亞臨界機組均是汽包鍋爐,具有良好的水動(dòng)力學(xué)的穩定性,因而更加適應電網(wǎng)的負荷調節。徐州華潤電廠(chǎng)于2019年7月完成了對32萬(wàn)kW亞臨界燃煤機組的改造,額定負荷下的供電煤耗從改造前的318g/(kW·h)降低到282g/(kW·h),每度電降低標準煤耗36g, 按年利用小時(shí)4500h計,相當于每年節約標煤5.2萬(wàn)t, 減少CO2排放約14萬(wàn)t。改造后機組不但具有穩定的100%~20%范圍內的調峰調頻性能,而且在19.39%的低負荷下仍然實(shí)現了超低排放,達到了大幅降低煤耗,顯著(zhù)提高靈活性的目標[2]。
2020年12月并網(wǎng)發(fā)電的安徽平山電廠(chǎng)二期工程設計供電煤耗251g/(kW·h),廠(chǎng)用電率按5%考慮,發(fā)電煤耗僅為238.45g/(kW·h),折算單位發(fā)電量的CO2排放量為643.8g/(kW·h),介于IPCC公布的油電與氣電CO2排放強度之間。
2.2.2 摻燒非煤燃料,進(jìn)一步降低煤電碳排放煤電的另一個(gè)低碳發(fā)展的方向是煤與生物質(zhì)、污泥、生活垃圾等耦合混燒。煤與生物質(zhì)耦合混燒發(fā)電主要的突出優(yōu)點(diǎn)是:利用固體生物質(zhì)燃料部分或全部代替煤炭,顯著(zhù)降低原有燃煤電廠(chǎng)的CO2排放量;利用大容量高參數燃煤發(fā)電機組發(fā)電效率高的優(yōu)勢,大幅度提高生物質(zhì)發(fā)電效率,節約生物質(zhì)燃料資源;利用已有的燃煤發(fā)電機組設備,只對燃料制備系統和鍋爐燃燒設備進(jìn)行必要的改造,可以大大降低生物質(zhì)發(fā)電的投資成本;參與混燒的生物質(zhì)燃料比例可調節范圍大(通常為5%~20%),調節的靈活性強,對生物質(zhì)燃料供應鏈的波動(dòng)性變化有很強的適應性[2]。
燃煤電廠(chǎng)摻燒生物質(zhì)燃料,在國內外均有成熟經(jīng)驗。摻燒污水處理廠(chǎng)污泥,在國內也有不少電廠(chǎng)投運,如廣東深圳某電廠(chǎng)300MW燃煤機組、江蘇常熟某電廠(chǎng)600MW燃煤機組、江蘇常州某電廠(chǎng)600MW燃煤機組。摻燒生活垃圾的主要是循環(huán)流化床鍋爐的燃煤電廠(chǎng),也有先將垃圾氣化再摻入煤粉爐燃燒的電廠(chǎng)。
2.2.3 碳中和時(shí)中國火電機組的保留規模2020年12月到2021年1月自湖南省通知有序用電之后,浙江、江西、陜西等多地都發(fā)出了限電的通知,全國多地出現拉閘限電。2021年1月7日當天晚高峰創(chuàng )出了全社會(huì )用電高點(diǎn),達到了11.89億kW,全國的發(fā)電裝機容量為22億kW,為何不能保證11.89億kW的用電負荷呢?這就需要區分發(fā)電裝機容量與保供裝機容量。
2020年底中國發(fā)電裝機容量達到22億kW,但并不意味著(zhù)這些機組能夠同時(shí)發(fā)電。2021年1月7日11.89億kW的用電負荷高峰出現在晚上,太陽(yáng)能就是光伏發(fā)電沒(méi)有出力。剛好1月7日全國大面積沒(méi)有什么風(fēng),風(fēng)力發(fā)電的裝機出力大概10%左右,全國5.3億kW風(fēng)電和光伏的總裝機,有5億kW沒(méi)有出上力。冬季又是枯水期,我國3.7億kW水電的裝機容量在用電高峰時(shí)超過(guò)2億kW沒(méi)有出上力。另外,冬季是天然氣的用氣高峰,中國1億kW左右的天然氣發(fā)電裝機,有一半左右也沒(méi)有出上力。加上發(fā)電機組停機檢修、區域布局等問(wèn)題,造成冬季缺電就顯而易見(jiàn)了[2]。
2060年前中國爭取實(shí)現碳中和,電力行業(yè)首當其沖,需要大力發(fā)展可再生能源,但可再生能源不可控,不能作為保供電源。能夠作為保供電源的主要是火電、水電、核電、儲能(含抽水蓄能)。火電包括燃煤發(fā)電、燃氣發(fā)電、燃油發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等,是最可靠的保供電源。
2020年中國的水電裝機容量3.7億kW(含抽水蓄能3149萬(wàn)kW),容易開(kāi)發(fā)的水電資源已開(kāi)發(fā)完畢,據報道中國的水電開(kāi)發(fā)極限是4.32億kW。2020年中國的核電裝機容量0.5億kW,核電由于核安全問(wèn)題,選址極其困難,加上核燃料資源的限制,不可能大規模發(fā)展,預計可發(fā)展到2億kW。
2020年中國建成投運的儲能項目累計裝機規模3560萬(wàn)kW,其中抽水蓄能3149萬(wàn)kW[19]。2021年4月19日,國家能源局印發(fā)《2021年能源工作指導意見(jiàn)》,明確提出開(kāi)展全國新一輪抽水蓄能中長(cháng)期規劃,穩步有序推進(jìn)儲能項目試驗示范。在所有儲能方式中,抽水蓄能經(jīng)過(guò)了幾十年的工程實(shí)踐檢驗,技術(shù)最為成熟,也最具經(jīng)濟性,具有大規模開(kāi)發(fā)潛力,但選址較為困難。
與抽水蓄能相比,其他儲能項目規模都比較小,且有潛在的安全風(fēng)險。儲能項目都是將電能的再次轉化,如抽水蓄能是將電能轉化為機械能,機械能再轉化為電能;化學(xué)儲能是將電能轉化為化學(xué)能,再將化學(xué)能轉化為電能等等,在轉換過(guò)程中會(huì )有大量的能源損耗。考慮到中國大規模開(kāi)發(fā)風(fēng)電與光伏發(fā)電,預計儲能項目需新增2億kW。
考慮到將來(lái)極端天氣會(huì )更多,仍以用電負荷高峰出現在冬季晚間為例,儲能、核電的出力能力均取1,水電的出力能力取0.5,計算可得儲能、核電、水電的同時(shí)發(fā)電能力為6.16億kW。
保留火電機組裝機8億kW,出力能力取0.85,用電高峰時(shí)發(fā)電能力6.8億kW。這樣,用電高峰時(shí)頂得上的發(fā)電能力為12.96億kW,基本可以保證電力供應。
2.3 以低碳能源為關(guān)鍵,大力發(fā)展風(fēng)電與光伏發(fā)電從表1中可以看出,國內外有商業(yè)應用的低碳能源有8種,中國的水電資源開(kāi)發(fā)程度已經(jīng)很高,核電選址較為困難,生物質(zhì)發(fā)電規模已近2500萬(wàn)kW,多余生物質(zhì)燃料可摻燒到現有燃煤電廠(chǎng),能夠發(fā)電的地熱資源非常有限,潮汐能發(fā)電早有建成的示范項目,但一直未能推廣,因此,現在能夠大規模發(fā)展以至于取代化石能源電力,取代煤電的就是可再生能源電力的風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電這兩種電源。
近10多年來(lái)中國的風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電均取得快速發(fā)展,如圖2所示。從圖2可以看出,中國風(fēng)能發(fā)電裝機從2009年的1613萬(wàn)kW增長(cháng)到2019年28153萬(wàn)kW,太陽(yáng)能發(fā)電裝機從2009年的2萬(wàn)kW增長(cháng)到2019年25343萬(wàn)kW[11]。
圖2 中國風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電的發(fā)展狀況
2020年12月12日,習近平主席在氣候雄心峰會(huì )上進(jìn)一步宣布:到2030年,中國單位國內生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右,森林蓄積量將比2005年增加60億m3,風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機容量將達到12億kW以上。
為了滿(mǎn)足全社會(huì )的用電需要,碳中和時(shí)中國非水可再生能源的發(fā)展預計將達到50億kW,主要是風(fēng)電與太陽(yáng)能發(fā)電,會(huì )有少量的地熱發(fā)電及潮汐能發(fā)電。
2.4 以?xún)δ芘c碳捕集為補充,保障電力系統穩定為減少棄風(fēng)、棄光、棄水現象,保障電力系統穩定,發(fā)展儲能項目是非常必要的,但儲能項目不僅投資較大,而且本身消耗電能,如抽水蓄能是效率較高的儲能方式,能源轉換效率僅有75%左右,因此國家必須出臺相關(guān)政策,推動(dòng)儲能項目的建設。
碳捕集工程,包括碳捕集和封存(CCS)、碳捕集和利用(CCU)以及碳捕集、利用和封存(CCUS)。碳捕集工程不僅投資大、運行費用高,而且面臨高耗能、高風(fēng)險等問(wèn)題[20]。使用CCUS單位(kW·h)發(fā)電能耗增加14%~25%[21],導致能耗需求量大幅增加;CCUS各個(gè)環(huán)節成本高昂,導致CCUS難以發(fā)展應用;并且不論哪種方式封存CO2都存在泄漏風(fēng)險,會(huì )造成難以評估的環(huán)境風(fēng)險。但是,CCUS仍是碳減排潛在的重要技術(shù),中國政府高度重視,在一系列國家規劃與方案中將CCUS列為緩解氣候變化的重要技術(shù)[22-31]。
2021年1月國內最大規模15萬(wàn)t/a CO2捕集和封存全流程示范工程在國家能源集團國華錦界電廠(chǎng)建成[32]。
因此,降低碳捕集,利用和封存(CCUS)的成本、能耗及風(fēng)險任重道遠,在沒(méi)有重大的技術(shù)突破以前,顯然不宜推廣應用。即使CCUS技術(shù)有所突破,也需要政府持續推進(jìn)。
3 電力行業(yè)碳達峰、碳中和時(shí)CO2排放量3.1 火電行業(yè)碳達峰時(shí)CO2排放量2018年火電行業(yè)排放的CO2占全國排放總量的43%,約43億t[2,17]。2021年4月22日,習近平主席在領(lǐng)導人氣候峰會(huì )上指出:中國將嚴控煤電項目,“十四五”時(shí)期嚴控煤炭消費增長(cháng)、“十五五”時(shí)期逐步減少煤炭消費量。可以看出,2030年前煤電裝機容量還是會(huì )增長(cháng)的,全國煤炭消費量會(huì )有所減少,但電煤消費量會(huì )有所增加,需要大力推進(jìn)“以電代煤”,提高電氣化水平。
預計火電行業(yè)碳達峰時(shí)CO2排放量會(huì )在2018年的基礎上增長(cháng)15%左右,約47億t。
3.2 火電行業(yè)碳中和時(shí)CO2允許排放量據Pierre Friedlingstein等人的研究[17],2009—2018年全球每年化石燃料排放的CO2介于330~370億t之間,平均約350億t,全球碳循環(huán)后每年造成大氣中CO2增加約180億t, 即全球每年化石燃料排放CO2約170億t時(shí),就可實(shí)現全球碳中和。中國人口數占世界人口總數的18.5%,如果不考慮共同但有區別的責任,按全球人均CO2排放來(lái)考慮,中國碳中和時(shí)可排放CO2約31.45億t, 比2018年排放的100.3億t減少68.85億t。
2018年中國火電行業(yè)排放的CO2占全國排放總量的43%[2],不考慮碳中和實(shí)現時(shí)煤炭基本上均用來(lái)發(fā)電,其他工業(yè)行業(yè)的CO2排放占比會(huì )有所下降,火電行業(yè)應該上升的因素,火電行業(yè)可以排放CO2約13.5億t, 電力行業(yè)的CO2排放指標應超過(guò)該限值。
3.3 電力行業(yè)碳中和時(shí)CO2預測排放量依據前面的分析,在現有能源資源、技術(shù)水平及安全需求基礎上,碳中和時(shí)中國電力行業(yè)的發(fā)電裝機構成、發(fā)電量及CO2排放量測算如表3所示。風(fēng)電與太陽(yáng)能各按25億kW計,考慮到技術(shù)進(jìn)步,除燃煤發(fā)電外,CO2排放強度均按表1中數值的0.8倍計算,全國煤電機組按發(fā)電煤耗281g/(kW·h)、供電煤耗295g/(kW·h)計,全國生物質(zhì)量按折算1.07億t標準煤計,折算其裝機容量及發(fā)電量,1t標煤燃燒后排放2.7t的CO2。
從表3中可以看出,碳中和時(shí),全國發(fā)電裝機容量高達64.3億kW,其中非化石能源發(fā)電裝機容量58億kW,占比90.2%;煤電裝機容量5.3億kW,占比8.2%;包括生物質(zhì)與余熱、余壓、余氣在內的火電裝機容量8億kW,占比12.4%。從發(fā)電量來(lái)看,碳中和時(shí),全國發(fā)電量近13萬(wàn)億(kW·h),其中非化石能源發(fā)電量占比85.3%。
全國電力行業(yè)排放CO2量15.21億t, 其中火電行業(yè)排放13.18億t, 占全國可排放總量31.45億t的41.9%,小于目前的占比水平43%。可見(jiàn),如果能夠實(shí)現上述目標,電力行業(yè)作出的貢獻是相當巨大的。
4 結語(yǔ)(1)碳達峰包括達峰時(shí)間與峰值,碳中和不是CO2零排放,中國碳達峰時(shí)火電行業(yè)排放的CO2量約47億t, 碳中和時(shí)火電行業(yè)允許排放CO2量約13.5億t。
(2)中國電力行業(yè)的發(fā)展路徑應貫徹以節能與摻燒為引領(lǐng),保留火電機組不少于8億kW;以低碳能源為關(guān)鍵,大力發(fā)展風(fēng)電與光伏發(fā)電;以?xún)δ芘c碳捕集為補充,保障電力系統穩定等3條重要舉措。
(3)碳中和時(shí)中國電力裝機容量預計可達64.3億kW(不包括儲能容量),非化石能源發(fā)電裝機容量占比90.2%,發(fā)電量占比85.3%。電力行業(yè)排放CO2將從超過(guò)47億t下降至15.21億t, 其中火電行業(yè)排放13.18億t。
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